人类获取的信息70%以上来源于视觉，眼睛作为生物采集的关键感知器官之一，具有极高的研究价值。其中，眼动追踪传感器在无干扰、隐蔽监测人类视觉行为方面展现出巨大潜力。目前，大多数眼动追踪设备依赖复杂的传感系统，图像处理过程繁琐且设备体积较大；而基于隐形眼镜的侵入式方案虽然具备一定的便携性，但其测量精度有限，并可能引发异物引入的不适感。因此，探索一种高成本效益、操作便捷、高精度追踪眼球信号策略具有重要意义。

 

在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的支持下，中国科学院绿色印刷实验室宋延林/苏萌团队开展了可控印刷多维度、多功能微纳传感器件等方面的研究，取得了系列进展（Adv. Mater., 2018, 30, 1703963; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 14234; Adv. Mater., 2020, 32, 1907280; ACS Nano, 2022, 16, 10; Adv. Intell. Syst., 2023, 5, 2200307; Nat. Commun., 2023, 14, 1204; Adv. Mater. 2024, 36, 2404740）。

 

最近，中国科学院化学所宋延林研究员/苏萌研究员团队基于仿生矿化策略，在玻璃基底上成功制备了大晶粒钙钛矿薄膜，并构建了集成钙钛矿光电探测器的智能眼镜系统，实现了基于眼球操控的人机交互展示。

 

 

2025年1月16日，相关研究成果以“Perovskite‐Based Smart Eyeglasses as Noncontact Human–Computer Interaction”发表在Advanced Materials 上。第一作者是硕士生胡峪铭，通讯作者是宋延林研究员和苏萌研究员。

 

 

图1：用于非接触式人机交互的钙钛矿基智能眼镜示意图。a） 应用于人机交互的智能眼镜流程图。b） 钙钛矿基智能眼镜的识别原理。c） PAAS界面层辅助钙钛矿光电探测器的示意图。d） 观察不同的位置会在智能眼镜上触发不同的光电响应信号。e） 基于智能眼镜的汽车非接触式操作。

 

 

图2：MAPbI3晶体在生长过程中的形态特征。a） 分别在3000rpm（ii）、4000rpm（iii）和5000rpm（iv）的转速下，由PAAS界面层调制的MAPbI3薄膜（i）和PAAS-MAPbI3薄膜的俯视扫描电镜（SEM）图像。b） 分别在3000rpm（ii）、4000rpm（iii）和5000rpm（iv）的转速下，由PAAS界面层调制的MAPbI3薄膜（i）和PAAS-MAPbI3薄膜的横截面SEM图像。c） 分别在80°c下加热0 s（i）、20 s（ii）、40 s（iii）、80 s（iv）的对照油墨的原位激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）图像。d） PAAS-MAPbI3油墨在80°C下分别加热0秒（i）、20秒（ii）、40秒（iii）、80秒（iv）的LSCM图像。PbI2或中间络合物在500至550 nm范围内的发光用绿色标记，而MAPbI3在700至800 nm范围内发光用红色标记。比例尺：a，b）500 nm和c，d）50μm。

 

 

图3: 钙钛矿薄膜的形态和质量表征。a） 对照和PAAS-MAPbI3薄膜的原子力显微镜（AFM）高度图像。b） MAPbI3、PAAS-MAPbI3和PAAS薄膜的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。c） 对照和PAAS-MAPbI3薄膜的紫外-可见吸收光谱。d） 控制和PAAS-MAPbI3薄膜的光致发光（PL）光谱。e） 控制和PAAS-MAPbI3薄膜的时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线。f） X射线光电子能谱（XPS）光谱显示了对照和PAAS-MAPbI3薄膜中Pb 4f的结合能。g、 h）对照和PAAS-MAPbI3薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图案。i） 对应于（g）和（h）的方位强度分布特征。比例尺：a）200 nm。

 

 

图4：PAAS-MAPbI3器件的光电性能得到增强。a） 在ITO玻璃上具有PAAS界面层的PAAS-MAPbI3器件结构的示意图。b） c）在450nm激光下，PAAS-MAPbI3和控制装置的响应性与入射功率密度的函数关系。d）控制和e）PAAS-MAPbI3器件在不同光照条件下（黑暗、500勒克斯、1500勒克斯、3000勒克斯）的电流-电压（I-V）特性。f） PAAS-MAPbI3和控制器件在不同光强下的开关比。g） PAAS-MAPbI3设备阵列的照片，包含5×6个探测器。比例尺：8 cm.h）通道1-30的PAAS-MAPbI3器件阵列的时间分辨强度响应。插图放大了第一个波峰的细节。i） 图4h中出现第一个峰值时的相应响应电流强度。

 

 

图5：基于PAAS-MAPbI₃的光电探测器，用于眼动追踪人机交互。a） 用于处理光电探测器时间输入的神经网络算法示意图。b） 配备PAAS-MAPbI₃设备的智能眼镜的图像，其可检测角度为5°，对应角度位置如下。c） 对9种不同方向的智能眼镜进行识别能力测试和d）相应的混淆矩阵结果。e） 在复杂地形演示中，通过智能眼镜对模型车进行实时和精细的控制。比例尺：20厘米。

 

该策略通过引入聚丙烯酸钠界面层，有效钝化了薄膜缺陷，促进高质量钙钛矿薄膜生长。基于此制备的钙钛矿光电传感器在500 Lux光照条件下，实现了接近300倍的开关比，并展现出高达22.09 A/W的光响应性能。他们进一步将高性能钙钛矿光电传感器阵列集成为可穿戴智能眼镜，通过卷积神经网络算法的优化，智能眼镜可以实现眼球运动的高精度识别。在角度分辨率5°测试条件下，识别准确率高达99.86%；对于9种不同指令，识别准确率达到99.08%。此外，操控者通过控制眼球轨迹操控模型汽车在复杂场景中的准确行进，展现了突出的人机交互能力。

 

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202412329